CN107562067A

CN107562067A - 一种车辆平衡的控制方法及系统

Info

Publication number: CN107562067A
Application number: CN201710811016.4A
Authority: CN
Inventors: 王裕; 王峰; 翁航; 翁一航; 章国豪; 刘怡俊
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2017-09-11
Filing date: 2017-09-11
Publication date: 2018-01-09

Abstract

本发明提供了一种车辆平衡的控制方法及系统，本发明中，能够当车辆处于停车状态时，先将前轮转弯角的角度调节到大于预设角度，然后计算得到的前轮驱动力矩输出到电机驱动器，进而电机驱动器能够调节前轮驱动电机的输出力矩，以使车辆自动保持平衡，由于本发明未使用车支支撑地面来保持平衡，进而解决了当车支出现损坏时，自行车将不能依靠自身而平衡的固定在地面上的问题。

Description

一种车辆平衡的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及车辆平衡控制领域，更具体的说，涉及一种车辆平衡的控制方法及系统。

背景技术

自行车相比于汽车而言，绿色环保，占用停车面积小而且价格经济实惠，进而自行车的使用率逐年上升。

当自行车没有被使用时，通过自行车的车支支撑在地面上，以保证自行车的平衡，但是当车支出现损坏时，自行车将不能依靠自身而平衡的固定在地面上。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种车辆平衡的控制方法及系统，以解决当车支出现损坏时，自行车将不能依靠自身而平衡的固定在地面上的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种车辆平衡的控制方法，包括：

当车辆处于停车状态时，发送角度调整指令到前轮转弯电机驱动器，以使所述前轮转弯电机驱动器控制前轮转弯电机把前轮转弯角的角度调节到大于预设角度；

获取车辆的车身横滚角和前轮转向角；

根据所述车身横滚角和所述前轮转向角，计算前轮驱动力矩；

将所述前轮驱动力矩输出到电机驱动器，以使所述车辆自动保持静态平衡。

优选地，根据所述车身横滚角和所述前轮转向角，计算前轮驱动力矩，包括：

生成输出矩阵；其中，所述输出矩阵为由所述车身横滚角和所述前轮转向角组成的矩阵；

根据所述输出矩阵，计算得到反馈值；

根据上一周期的干扰估计值，以及所述反馈值，计算得到前轮驱动力矩。

优选地，根据所述输出矩阵，计算得到反馈值，包括：

将所述输出矩阵与第一调整系数相乘，得到第一输出矩阵；

将所述输出矩阵进行求导后，与第二调整系数相乘，得到第二输出矩阵；

将所述第一输出矩阵与所述第二输出矩阵相加，得到所述反馈值。

优选地，根据上一周期的干扰估计值，以及所述反馈值，计算得到前轮驱动力矩，包括：

将所述反馈值与上一周期的干扰估计值相减，得到前轮驱动力矩。

优选地，将所述前轮驱动力矩输出到前轮驱动电机后，还包括：

将前轮驱动力矩与传递函数矩阵相乘，计算得到输出调整量；

将所述输出矩阵与所述输出调整量相减，得到输出调整矩阵；

将所述输出调整矩阵与干扰调整矩阵相乘，得到本周期的干扰估计值。

一种车辆平衡的控制系统，包括：

传感器组，用于当车辆处于停车状态时，获取车辆的车身横滚角和前轮转向角；

控制模块，用于当车辆处于停车状态时，发送角度调整指令到前轮转弯电机驱动器，以使所述前轮转弯电机驱动器控制前轮转弯电机把前轮转弯角的角度调节到大于预设角度，根据所述车身横滚角和所述前轮转向角，计算前轮驱动力矩，以及将所述前轮驱动力矩输出到电机驱动器；

电机驱动器，用于接收前轮驱动力矩，进而调整前轮驱动电机的力矩为前轮驱动力矩。

优选地，所述控制模块用于根据所述车身横滚角和所述前轮转向角，计算前轮驱动力矩时，具体用于：

根据所述输出矩阵，计算得到反馈值；

优选地，所述控制模块用于根据所述输出矩阵，计算得到反馈值时，具体用于：

将所述输出矩阵与第一调整系数相乘，得到第一输出矩阵；

优选地，所述控制模块用于根据上一周期的干扰估计值，以及所述反馈值，计算得到前轮驱动力矩时，具体用于：

优选地，所述控制模块用于将所述前轮驱动力矩输出到前轮驱动电机后，还用于：

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的车辆的结构示意图；

图2为本发明提供的一种车辆平衡的控制方法的方法流程图；

图3为本发明提供的一种车辆平衡的控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种车辆平衡的控制方法，应用于控制模块。其中，为了本领域的技术人员能够更加清楚明白的了解本方案，先对自行车的结构图进行介绍。

自行车包括车架1和设于车架1上的转向装置2、驱动装置3、传感器组、电池5、前轮6、后轮7、联轴器8、前轮转弯电机驱动器9、伺服电机驱动器10、车座11和控制模块，前轮6可旋转安装于驱动装置3上，且前轮6与驱动装置3的动力输出端固定连接；转向装置2固定安装于车架1的前端，且转向装置2的动力输出端与驱动装置3固定连接而驱动驱动装置3和前轮6转动；后轮7可旋转安装于车架1的后端，控制模块与传感器组、电池5、转向装置2和驱动装置3电连接；车架1上可拆卸安装有车座11。控制模块为单片机或可编程逻辑控制器PLC。

控制模块通过传感器组对车架1的车身横滚角和前轮转向角进行检测，然后输出控制信号到转向装置2和驱动装置3。通过控制转向装置2可以控制前轮6的方向和角度，使前轮6转动一定的方向和角度而控制整车的平衡，其中，本发明中，前轮转向角为定值，控制模块计算得到前轮转向角后，输出到转向装置2，进而使车辆转向前轮转向角中的角度。

转向装置2包括转向电机21和转弯电机驱动器9。转向电机21固定安装于车架1的前端；转向电机21竖直设置，且其输出轴与驱动装置3固定连接，转弯电机驱动器9和与控制模块电连接。根据转弯角度大小的需求，控制模块输出控制信号到转弯电机驱动器9，进而转向电机21按要求旋转方向和角度进行转动，从而驱动车轮转动，实现不同方向和角度的转弯的功能，适用性高，特别能适合需大角度转弯的道路使用，转向灵活，转向反应快且使用方便。

驱动装置3包括安装架31、安装于安装架31上的前轮驱动电机32、伺服电机驱动器10以及传动机构，前轮驱动电机32固定安装于安装架31上，前轮6可旋转安装于安装架31上；前轮驱动电机32的输出轴通过传动机构与前轮6传动连接而驱动前轮6转动，伺服电机驱动器10与控制模块电连接。控制模块通过伺服电机驱动器10、前轮驱动电机32和传动机构对前轮6的工作状态进行控制。由于控制模块单独通过前轮驱动电机32对车轮进行转动或停止进行控制，可快速地改变电机的工作状态，实现前轮6的转动和停止。

传动机构包括主动带轮、从动带轮和传动带，主动带轮通过传动带与从动带轮传动连接，主动带轮和从动带轮分别与前轮驱动电机32和前轮6固定连接。工作时，前轮驱动电机32依次通过主动带轮、传动带和从动带轮驱动车轮转动，使自行车向前运动。

参照图2，车辆平衡的控制方法包括以下步骤：

S11、当车辆处于停车状态时，发送角度调整指令到前轮转弯电机驱动器，以使所述前轮转弯电机驱动器控制前轮转弯电机把前轮转弯角的角度调节到大于预设角度；

具体的，根据单轨车辆运动学和动力学，当车辆处于停止状态时，前轮转弯角不能有效地调节车身重心相对于前后轮支撑点的位置，因而不能用来平衡车辆。但是当转弯角固定在大角度时(转弯角大于+-45度，最佳的是+-90度)，调节前轮驱动力矩，可以使得车辆达到平衡。

预设角度为45度。

S12、获取车辆的车身横滚角和前轮转向角；

其中，使用惯性传感器测量得到车身横滚角，使用编码器测量得到前轮转向角。其中，编码器可以是光编码器。

S13、根据车身横滚角和前轮转向角，计算前轮驱动力矩；

可选的，在本实施例的基础上，步骤S13包括：

1)生成输出矩阵；其中，输出矩阵为由车身横滚角和前轮转向角组成的矩阵；

具体的，输出矩阵为由车身横滚角和前轮转向角组成的2*1矩阵。如，y为q1为车身横滚角，q3为前轮转向角。

此外，还可以生成状态矩阵，

输出矩阵y＝Cx其中q1为车身横滚角，q3为前轮转向角，为车身横滚角对时间的导数，为前轮转向角对时间的导数。

2)根据输出矩阵，计算得到反馈值；

其中，反馈值为计算得到前轮驱动力矩的一个中间值。

3)根据上一周期的干扰估计值，以及反馈值，计算得到前轮驱动力矩。

具体的，将反馈值与上一周期的干扰估计值相减，得到前轮驱动力矩。

S14、将前轮驱动力矩输出到电机驱动器，以使车辆自动保持静态平衡。

具体的，电机驱动器接收到前轮驱动力矩后，调整前轮驱动电机的输出力矩，以使前轮驱动电机的输出力矩为前轮驱动力矩。其中，电机驱动器为伺服电机驱动器10。

需要说明的是，步骤S11-步骤S14，需要每隔预设时间执行一次，其中，预设时间是技术人员根据具体的使用工况进行设定的。如可以是10s。这样一来，控制模块能够实时调整前轮驱动电机的前轮驱动力矩，进而使车辆不依据车支而实现车辆的静态平衡。

此外，前轮驱动力矩输出到电机驱动器之后，车辆的前轮在外界干扰d之下，得到前轮实际驱动力矩，将前轮实际驱动力矩输入到抗干扰模型中，得到获取的输出矩阵。

其中，抗干扰模型为P(t)。

其中，设矩阵K＝[c,d,a,b]，k为常数矩阵。K＝[c,d,a,b]，其中，a、b、c和d均为常数。

K＝R^-1(B^TP(t)+N^T)，P(t)可由以下方程求得，

A^TP(t)+P(t)A-(P(t)B+N)R^-1(B^TP(t)+N^T)+Q＝0，R、Q、N为权重大小，本例中N设置为0。

A为4*4系数矩阵，B为4*1系数矩阵，C为2*4系数矩阵。如

R＝35。

本实施例中，能够当车辆处于停车状态时，先将前轮转弯角的角度调节到大于预设角度，然后计算得到的前轮驱动力矩输出到电机驱动器，进而电机驱动器能够调节前轮驱动电机的输出力矩，以使车辆自动保持平衡，由于本发明未使用车支支撑地面来保持平衡，进而解决了当车支出现损坏时，自行车将不能依靠自身而平衡的固定在地面上的问题。

根据本实施例中的说明，传感器组包括用于测量前轮的横滚角的惯性传感器41，以及用于检测前轮6的转向角的编码器42，惯性传感器41和编码器42与控制模块电连接。惯性传感器41和编码器42一起对车架1运动过程中的横滚角和转向角进行同时检测，组成自平衡控制结构。其中，惯性传感器41通过其测量车架1的横滚角，并实时将测量到的数据传送到控制模块，然后控制模块通过转向电机21控制前轮6的横滚角，以修正车架1的横滚角，使横滚角达到一个理想值，从而控制整车实现自平衡。而编码器42可实时检测前轮6的转向角数据，从而控制整车的转向角在一个适应的范围内，以保证车架1的平衡性和行驶的安全性，具有智能化控制、驱动和安全可靠的特点。

转向电机21通过联轴器8与驱动装置3固定连接。转向电机21通过联轴器8可以起到减速增矩的作用，增大转向电机21的输出到驱动装置3上的力矩，从而控制前轮6的转动顺畅性，防止出现扭力不够而出现转向卡顿和滞后的情况。

转向电机21通常为直流无刷伺服电机。电机驱动器通过向转弯电机输出不同数量的脉冲，可以控制转弯电机的转动角度，以适应前轮6不同转弯角度的需要，调节方便。

前轮驱动电机32为伺服电机。控制模块通过编码器42实时检测前轮6的转向角，然后控制伺服电机进行修正，实现准确地控制前轮6的转向角的目的。

控制模块分别通过前轮转弯电机驱动器9和伺服电机驱动器10与转向电机21和前轮驱动电机32电连接。控制模块、伺服电机驱动器10和伺服电机共同组成前轮6驱动结构。控制模块通过编码器42对车轮的转向角进行检测，然后智能控制伺服电机的转向角，将转向角控制在适当的范围内，实现整车的平衡稳定行驶。

可选的，在上述实施例的基础上，根据输出矩阵，计算得到反馈值，包括：

1)将输出矩阵与第一调整系数相乘，得到第一输出矩阵；

其中，第一调整系数为k₂＝[c，d]，其中，K2为常数矩阵。

2)将输出矩阵进行求导后，与第二调整系数相乘，得到第二输出矩阵；

其中，第一调整系数为k₁＝[a，b]，其中，K1为常数矩阵。

3)将第一输出矩阵与第二输出矩阵相加，得到反馈值。

本实施例中，给出了一种计算得到反馈值的计算方法，进而能够根据该方法计算得到反馈值。

可选的，在上述任一实施例的基础上，将前轮驱动力矩输出到前轮驱动电机后，还包括：

1)将前轮驱动力矩与传递函数矩阵相乘，计算得到输出调整量；

具体的，传递函数矩阵为p_n(s)＝C(sI-A)^-1B。其中，A为4*4系数矩阵，B为4*1系数矩阵，C为2*4系数矩阵。

如

I为单位矩阵，s为自变量。将前轮驱动力矩与传递函数矩阵相乘，即能够计算得到输出调整量。

2)将输出矩阵与输出调整量相减，得到输出调整矩阵；

3)将输出调整矩阵与干扰调整矩阵相乘，得到本周期的干扰估计值。

其中，干扰调整矩阵K_g(s)可以用以下方法求解，干扰输入d到输出矩阵y的传递函数矩阵H_yd＝(s)＝p_n(s)-p_n(s)K_g(s)p_n(s),求解使得||H_yd(s)||_∞取得极小值，其中n_i,n_o为系统输入与输出变量数，即x和y。这里分别为4,2。k₁,k₂利用连续时间无界线性二次型控制器方法求得。当将||H_yd(s)||_∞取得极小值时，即能够计算得到K_g(s)。

此后，将输出调整矩阵与干扰调整矩阵相乘，得到本周期的干扰估计值。

本实施例中，每隔预设时间计算得到一个干扰估计值，进而能够根据干扰估计值，计算得到下一个周期的前轮驱动力矩。

可选的，本发明的另一实施例中提供了一种车辆平衡的控制系统，参照图3，包括：

传感器组101，用于当车辆处于停车状态时，采集车辆的车身横滚角和前轮转向角；

控制模块102，用于当车辆处于停车状态时，发送角度调整指令到前轮转弯电机驱动器，以使所述前轮转弯电机驱动器控制前轮转弯电机把前轮转弯角的角度调节到大于预设角度，根据车身横滚角和前轮转向角，计算前轮驱动力矩，以及将前轮驱动力矩输出到电机驱动器；

电机驱动器103，用于接收前轮驱动力矩，进而调整前轮驱动电机的力矩为前轮驱动力矩。

其中，传感器组包括：用于测量车身横滚角的惯性传感器，即图1中的惯性传感器41，以及用于测量前轮转向角的编码器，即图1中的编码器42。

电机驱动器103可以是图1中的伺服电机驱动器10。

可选的，在本实施例的基础上，控制模块102用于根据车身横滚角和前轮转向角，计算前轮驱动力矩时，具体用于：

生成输出矩阵；其中，输出矩阵为由车身横滚角和前轮转向角组成的矩阵；

根据输出矩阵，计算得到反馈值；

根据上一周期的干扰估计值，以及反馈值，计算得到前轮驱动力矩。

其中，控制模块用于根据上一周期的干扰估计值，以及反馈值，计算得到前轮驱动力矩时，具体用于：

将反馈值与上一周期的干扰估计值相减，得到前轮驱动力矩。

需要说明的是，本实施例中的传感器组101、控制模块102和的电机驱动器103的工作过程，请参照上述实施例中的相应说明，在此不再赘述。

可选的，在上述控制系统的实施例的基础上，控制模块用于根据输出矩阵，计算得到反馈值时，具体用于：

将输出矩阵与第一调整系数相乘，得到第一输出矩阵；

将输出矩阵进行求导后，与第二调整系数相乘，得到第二输出矩阵；

将第一输出矩阵与第二输出矩阵相加，得到反馈值。

需要说明的是，本实施例中的控制模块102的工作过程，请参照上述实施例中的相应说明，在此不再赘述。

可选的，在上述任一控制系统的实施例的基础上，控制模块102用于将前轮驱动力矩输出到前轮驱动电机后，还用于：

将输出矩阵与输出调整量相减，得到输出调整矩阵；

将输出调整矩阵与干扰调整矩阵相乘，得到本周期的干扰估计值。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种车辆平衡的控制方法，其特征在于，包括：

获取车辆的车身横滚角和前轮转向角；

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，根据所述车身横滚角和所述前轮转向角，计算前轮驱动力矩，包括：

根据所述输出矩阵，计算得到反馈值；

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，根据所述输出矩阵，计算得到反馈值，包括：

将所述输出矩阵与第一调整系数相乘，得到第一输出矩阵；

4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，根据上一周期的干扰估计值，以及所述反馈值，计算得到前轮驱动力矩，包括：

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，将所述前轮驱动力矩输出到前轮驱动电机后，还包括：

6.一种车辆平衡的控制系统，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述控制模块用于根据所述车身横滚角和所述前轮转向角，计算前轮驱动力矩时，具体用于：

根据所述输出矩阵，计算得到反馈值；

8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述控制模块用于根据所述输出矩阵，计算得到反馈值时，具体用于：

将所述输出矩阵与第一调整系数相乘，得到第一输出矩阵；

9.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述控制模块用于根据上一周期的干扰估计值，以及所述反馈值，计算得到前轮驱动力矩时，具体用于：

10.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述控制模块用于将所述前轮驱动力矩输出到前轮驱动电机后，还用于：